Wissenschaftliche Fakten zu zwei Mineralien — gemäß EU-Verordnung (EU) Nr. 432/2012
Zur StoffkundeKalium ist ein Mengenelement und liegt im Zellinneren als einfach geladenes Ion vor. Innerhalb einer Nervenzelle wird sein Gehalt in der Größenordnung von 140 Millimol je Liter angegeben, in der Flüssigkeit außerhalb bei etwa vier bis fünf. Dieses Verhältnis von rund dreißig zu eins ist die Ausgangslage, aus der sich die Spannungsverhältnisse an der Faserwand rechnerisch ableiten lassen.
Damit das Gefälle bestehen bleibt, muss die Zellwand zwischen Kalium und dem ähnlich geladenen, aber kleineren Natrium unterscheiden. Diese Unterscheidung leistet ein kurzer Abschnitt im Inneren der Durchtrittsstelle, dessen Bau seit den kristallographischen Arbeiten der späten 1990er-Jahre im Einzelnen beschrieben ist.
Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012
| Symbol | K |
|---|---|
| Ordnungszahl | 19 |
| Einordnung | Mengenelement |
| Referenzwert Anhang XIII | 2000 mg |
| Ionenradius | 133 pm |
Kupfer ist ein Spurenelement. Der gesamte Bestand eines Erwachsenen wird in der Fachliteratur in Zehntelgramm angegeben, und der Anteil, der auf das Nervengewebe entfällt, in Milligramm. Anders als Kalium kommt es dort praktisch nicht als gelöstes Ion vor: Nahezu jedes Atom ist an ein Eiweiß gefasst, meist über Stickstoffatome von Histidin-Seitenketten oder über Schwefel aus Cystein und Methionin.
Der Grund liegt in der Chemie des Elements selbst. Kupfer kann zwei Ladungsstufen einnehmen und wechselt zwischen ihnen leicht — eine Eigenschaft, die es für bestimmte Umsetzungen brauchbar macht und die zugleich dazu führt, dass der Organismus es nirgends frei stehen lässt.
Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012
| Symbol | Cu |
|---|---|
| Ordnungszahl | 29 |
| Einordnung | Spurenelement |
| Referenzwert Anhang XIII | 1 mg |
| Ladungsstufen | zwei |
Kalium und Kupfer werden in Ernährungstabellen in derselben Spalte geführt und dort in Milligramm je hundert Gramm beziffert. Sobald man aber fragt, wo sie im Nervengewebe vorkommen und in welcher Form, trennen sich die beiden Beschreibungen vollständig. Das eine Element ist im Zellsaft in Millimol vorhanden und frei beweglich; das andere ist in so geringer Menge zugegen, dass sich seine Handhabung nur über die Eiweiße beschreiben lässt, an denen es hängt.
Diese Seite stellt beide Beschreibungen nebeneinander, ohne sie zu vermischen. Das europäische Register der zugelassenen Angaben führt für jedes der beiden Elemente einen eigenen Eintrag mit Bezug auf das Nervensystem. Beide sind in den Einträgen weiter oben im Wortlaut wiedergegeben — getrennt, weil auch die Zulassung getrennt erteilt wurde.
Alles, was auf dieser Seite über Poren, Ladungen und Bindungsstellen steht, ist redaktioneller Sachtext aus biochemischer und neurophysiologischer Standardliteratur. Zitierfähig im Sinne der Verordnung sind ausschließlich die beiden eingerahmten Zeilen.
Ein Ion in wässriger Umgebung ist von Wassermolekülen umgeben, die sich mit ihren Sauerstoffseiten an die positive Ladung anlegen. Diese Hülle abzustreifen kostet Energie. Eine Pore, die ein Ion durchlassen will, muss ihm daher einen Ersatz anbieten, der annähernd genauso günstig ist — sonst bleibt das Teilchen lieber im Wasser.
Genau das leistet der Durchtrittsabschnitt der kaliumleitenden Pore. Vier baugleiche Untereinheiten legen jeweils dasselbe kurze Sequenzstück nach innen; die Sauerstoffatome ihrer Peptidbindungen zeigen dabei in den Kanal hinein und bilden hintereinander mehrere Käfige. In jedem dieser Käfige treffen acht solcher Sauerstoffatome zusammen — annähernd in dem Abstand, den zuvor die Wassermoleküle hatten.
Das Maß ist auf Kalium abgestimmt. Sein Ionenradius beträgt rund 133 Pikometer, der von Natrium nur etwa 95. Das kleinere Teilchen kann die acht Sauerstoffatome nicht gleichzeitig erreichen; sein Gewinn beim Eintritt fällt geringer aus als der Verlust der Wasserhülle, und es bleibt größtenteils draußen. Die Bevorzugung fällt in neurophysiologischen Lehrbüchern mit einem Faktor im Bereich von etwa zehntausend aus, bei einem Durchsatz, der in Millionen Teilchen je Sekunde gerechnet wird.
Die beiden Ladungsstufen des Kupfers verlangen unterschiedliche Nachbarschaften: In der niedrigeren bevorzugt das Atom wenige Partner und gern Schwefel, in der höheren mehr Partner und eher Stickstoff oder Sauerstoff. Wechselt die Ladung, verschiebt sich also auch die Geometrie der Bindung. Diese Beweglichkeit ist der Grund, weshalb Kupfer in Enzymen als Reaktionspartner eingesetzt wird — und zugleich der Grund, weshalb der Organismus es nicht gelöst herumtreiben lässt.
Im Nervengewebe zeigt sich das an den Zahlen: Was in einer Gewebeprobe als Kupfergehalt gemessen wird, steckt fast vollständig in Eiweißen. Untersuchungen an Hirnschnitten beschreiben allerdings, dass bei Aktivität kurzzeitig auch außerhalb der Zellen Kupfer nachweisbar wird, im Bereich weniger Mikromol je Liter und nur für Bruchteile einer Sekunde, bevor es wieder aufgenommen wird. Solche Messungen stammen aus Gewebepräparaten und aus Zellkulturen, nicht aus Ernährungsstudien.
Eine Nährwerttabelle beziffert, wie viel eines Elements in hundert Gramm eines Erzeugnisses steckt. Sie sagt nichts darüber, welcher Anteil davon in den Kreislauf gelangt, und erst recht nichts über Vorgänge an einer Pore oder an einer Bindungsstelle. Zwischen der Zeile in der Tabelle und dem Vorgang in der Zelle liegen mehrere Umrechnungsschritte, von denen keiner in der Tabelle abgebildet ist.
Deshalb bleiben auf dieser Seite drei Ebenen sauber getrennt: die Chemie der beiden Elemente, die Zahlen aus Lebensmittelanalysen und der Wortlaut der beiden zugelassenen Angaben. Die ausführliche Fassung führt zu jeder dieser Ebenen eigene Aufstellungen mit Fundstelle.
Zum Abschluss noch einmal die beiden Einträge, jeder für sich und in der Fassung, die das Register vorgibt:
„Kalium trägt zu einer normalen Funktion des Nervensystems bei“ — Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012
„Kupfer trägt zu einer normalen Funktion des Nervensystems bei“ — Gemäß Verordnung (EU) Nr. 432/2012
Vier Abschnitte, zwei Gehaltsaufstellungen in voller Länge, die Maßzahlen zur Ionenselektivität mit Herleitung, beide Registereinträge im Wortlaut und ein Frageteil. Zu jeder Zahl nennt der Text die herangezogene Fundstelle.
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